赵 欢

（抚顺职业技术学院）

斜拉桥与悬索桥受力性能分析

赵 欢

（抚顺职业技术学院）

桥梁是交通工程中必不可少的建筑物，也是城市经济发达象征。随着经济的发展，桥梁的跨度也越来越大，斜拉桥和悬索桥都是充分利用钢材预应力性能的大跨度桥梁。本文通过同一案例分别采用斜拉桥和悬索桥模型，对拉索和主梁的内里，得出斜拉桥和悬索桥不同的受力性能。

一、引言

桥梁是交通工程中必不可少的建筑物，是跨越障碍，连接河流两岸甚至海峡两岸的纽带。桥梁的诞生为人们出行提供便利的同时，带动了地方经济的发展。现代桥梁建筑在融入了力学、经济学以及美学的观念，已经成为一个地区经济是否发达的标志。

按受力特点的不同，桥梁可以划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥、斜拉桥五种基本类型。梁式桥与拱式桥是传统的桥梁结构形式，有着悠久的历史。我国建于公元595年至605年隋朝年间的赵州桥就是一座石拱桥，距今已有1400年的历史，是世界上最早、保存最完整的古代单孔敞肩石拱桥，现在仍坚固耐用。从赵州桥可以看出，古代人民已经掌握了桥梁建造的技艺，已经有了一定的力学和结构学的理论。但由于古代桥梁仅有木材和石材两种主要材料，因而在跨度上受到很大的限制。刚架桥是介于梁与拱之间的一种结构体系，它是由上部体系和下部体系组成。上部体系一般为受弯的梁或板，下部体系一般为受压的墩或柱。上部体系与下部体系为刚性连接，整个体系是压弯结构。钢架桥的产生得益于混凝土和钢材两种现代材料的应用，特别是预应力混凝土结构，承载力高，重量较传统材料轻便，能跨越较大的跨度，是现代桥梁主要的建造材料。

随着经济的发展，桥梁的建造要求越来越高，跨度也越来越大，梁、拱式桥已经不能满足大跨度的要求。随着预应力结构的发展，一种新型的预应力构件被越来越多的应用在桥梁上，即高强度预应力拉索。预应力拉索强度高、塑性好、与混凝土有良好的黏结性能并有良好的加工性能。拉索的形式有钢绞线缆绳、平行高强钢筋、平行预应力钢筋、平行预应力钢绞线。通过实践证明，平行预应力钢筋和平行预应力钢绞线的结构性是最好的。

拉索在桥梁中的应用主要有两种形式，斜拉桥和悬索桥。这两种桥梁结构形式能充分发挥拉索的抗拉性能，有很大的跨越能力，适用于大跨度的江、河，甚至适合建造跨海大桥。

二、斜拉桥的受力特点

斜拉桥是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。由于采用了多条受拉索，减小了支墩的数量，进而减少了梁内的弯矩，可以减轻结构的自重，节省材料。目前世界上已经建成的最大跨径的斜拉桥为俄罗斯的俄罗斯岛大桥，主跨径为1104米,于2012年7月完工。

从受力特点上看，斜拉桥主跨之间的承重大梁由若干根斜拉索拉在两侧的桥塔上，每个桥塔上两侧的都有拉索分布。主梁的自重及主梁承受的荷载均为竖直向下的，这些荷载由分布在桥塔两侧的拉索平衡。一般的斜拉桥的拉索都是以桥梁中心对称分布的，由于拉索的仅产生沿索方向的拉力，根据力学原理，拉索上的拉力可以分解为竖直向下的拉力和水平的拉力，左右对称水平拉力可以中和，竖直向下的拉力则可以通过桥塔传至墩台。

三、悬索桥的受力特点

悬索桥,俗称吊桥，是将桥面通过拉索悬挂在桥塔上，并将拉索锚固在两岸的桥梁结构，由主缆、桥塔、锚碇、吊杆等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。目前世界上已经建成的最大跨径的悬索桥为日本的明石海峡大桥，两桥塔跨距1991米，宽35米，两边跨距各为960米，可承受8.5强震和百年一遇的80米／秒强烈台风袭击。

从受力特点上来看，主缆是结构体系中的主要承重构件，它主要承受张力，可通过自身几何形状的改变来影响体系平衡，缆索的几何形状一般为物线。在外荷载作用下，悬索桥的桥塔以轴向受压为主，并尽量减少桥塔中的弯曲内力，以增加整个桥梁承受外荷载的能力。悬索桥桥面上由车辆荷载引起的弯曲内力由加劲梁承担。而这些荷载最终通过吊杆传递给主缆，吊杆承受轴向拉力，是联系加劲梁和主缆的纽带。

四、案例分析

为了对比相同条件下斜拉桥与悬索桥的受力性能，现用同一个案例并分别采用斜拉桥形式和悬索桥形式，通过计算两种桥梁中拉索及梁的受力及整个桥梁的变形，得出对比结果。

1.工程概况

该桥梁工程为三跨连续桥梁，主跨120m、边跨跨经为50m。同时采用斜拉桥模型（图1）和悬索桥模型（图2）。桥塔上部高40m，下部高20m。为比较两种模型的性能，悬索桥的主缆和吊杆均采用与斜拉桥拉索相同的材料和截面，且通过计算，斜拉桥8根拉索的长度和与悬索桥主缆、边缆、吊杆的长度和相同。

图1 斜拉桥模型

图2 悬索桥模型

2.计算结果

通过计算得出在同样荷载条件下两种桥梁模型下拉索所受张力见表1至表3。

表1 斜拉桥拉索张力

表2 悬索桥主缆张力

表3 悬索桥吊杆张力

两种桥梁模型下主梁所受内力见表4。

边跨 悬索桥 14 I -1412 -333 -0.41 J -1412 121 5296中跨 斜拉桥 11 J 0 228 -2848 I 0 0 0中跨 斜拉桥 12 J 473 73 -1819 I 473 -155 -2842中跨 斜拉桥 13 J 678 0 -1365 I 678 -91 -1819中跨 悬索桥 15 J -1399 285 1898 I -1399 139 5296中跨 悬索桥 16 J -1404 244 -875 I -1404 94 1898中跨 悬索桥 17 J -1411 195 -2799 I -1411 -55 -875

3 结论

从受力情况来看，斜拉桥拉索所受的张力明显小于悬索桥的主缆所受的张力，同样桥梁设计，如采用斜拉桥的话可减少截面尺寸。悬索桥的受力特点就是桥梁自重和大部分荷载重要主缆来承担，相对主缆的张力，吊杆所受的张力较小，在实际应用中，可以考虑轻型材料及减少吊杆的截面尺寸。斜拉桥拉索张力中，位置高的拉张力明显低于位置低的拉索张力，在实际中，在满足桥塔承载力及变形要求前提下可尽量提高桥塔的高度，但同时要考虑经济性问题。

主梁受力情况上，斜拉桥的主梁上拉索索锚固的位置，梁弯矩普遍较大，在桥塔附近位置内力很小，中跨位置跨中弯矩最大，除零杆外，轴力、剪力在各处变化值不大。悬索桥的主梁弯矩在桥塔附近位置较大，然后向桥塔两边减少，中跨位置到跨中又增大，但没有超过桥塔附近位置的弯矩值，同样，轴力、剪力在各处变化值不大。同样桥梁设计，如采用斜拉桥的话可减少截面尺寸，但由于斜拉桥受力特显所限，斜拉桥的跨越能力不能超过悬索桥。

[1]李军 斜拉桥Ansys结构动力特性分析 甘肃科技 2011（5）∶119-121

[2]邱顺东 桥梁工程软件midsa Civil应用工程实例 人民交通出版社 2011

[3]赵欢 拉索在高层悬挂结构中的应用 价值工程 2015（4）：153-154

U45

B

1007-6344（2017）01-0042-02